钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)近年来发展迅速,其认证光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)已达25.7%,但有机阳离子组分(甲胺(CH₃CH₂⁺)、甲脒(HC(NH₂)₂⁺)等)受热易分解、热稳定性差,使得器件的稳定性降低,阻碍了其商业化进程。而铯基钙钛矿(Cs Pb I₃、Cs Pb I₂Br等)具有优异的热稳定性(高于300℃保持相稳定),合适的禁带宽度(1.7-2.3 e V),较低的激子结合能,是理想的吸光材料。但铯基钙钛矿中铯离子半径较小,不易稳定[Pb X₆]^4–八面体,导致八面体易扰动倾斜发生相变;而且铯基钙钛矿薄膜的制备往往需要较高的退火温度,导致薄膜质量差、缺陷密度大,进而影响器件的性能。针对铯基钙钛矿相稳定和薄膜缺陷两个核心问题,该研究分别采用离子液体、空穴传输材料结构调控、以及组分工程引入长链有机阳离子分别在钙钛矿界面、体相以及本征组分上调控铯基钙钛矿的相稳定以及钝化薄膜缺陷,并揭示相稳定提升的机理,进一步提升PSCs的光伏性能和稳定性。具体研究内容和结果如下:首先,采用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF₄)在Cs Pb I₂Br表面作用,通过影响铯的扰动改善其立方相稳定性,并降低表面缺陷密度,降低界面能量损失。此外,BMIMBF₄与Cs Pb I₂Br的相互作用可以改善钙钛矿表面的电荷分布,增大偶极矩进而促进界面电荷提取和输运。BMIMBF₄修饰的反式器件的PCE为13.2%,开路电压(Open-circuit Voltage,V_oc)为1.07 V,与未修饰的器件相比,分别提高了37.2%和18.9%,且在N₂中存储1000 h后仍能保持初始PCE的86.9%,而未修饰器件的PCE在200 h即降为0。其次,设计合成了两种低成本的芴末端改性的空穴传输材料(命名为YT-MPF和YT-FF),进一步降低界面的能量损失,改善器件光伏性能和稳定性。外围芴基的改性调控了其静电表面电势。YT-MPF的每个外围臂上都有一个芴基团,静电表面电势呈正负交替分布,具有更强的极化结构,促进了空穴的高效提取和输运。YT-MPF具有较好的成膜性,薄膜光滑均匀、具有较小的粗糙度,有利于降低界面的缺陷。此外,YT-MPF具有较高的疏水性,有利于相稳定性的提升。基于YT-MPF的Cs Pb I₂Br器件获得了16.0%的PCE和1.29 V的V_oc,优于传统的空穴传输材料聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA,PCE为14.7%,V_oc为1.23 V)和2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴(Spiro-OMe TAD,PCE为14.7%,V_oc为1.27 V)。基于YT-MPF的器件在相对湿度为25%的空气中放置500 h后,仍能保持初始PCE的77%。再次,采用疏水性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF₆)与Cs Pb I₂Br在体相相互作用,降低Cs Pb I₂Br的能量,从而抑制了[Pb X₆]^4-八面体倾斜,进一步改善其相稳定性,薄膜在空气中放置7个月后仍保持黑色立方相。且钙钛矿结构扰动的减小,晶格应力的释放均有利于相稳定的提升。因此,BMIMPF₆添加器件的PCE为16.2%,并具有优异的稳定性。BMIMPF₆添加的未封装器件在N₂中储存1200 h,在相对湿度为30%的空气中储存1000 h,在热循环200次(25-100℃)后,仍分别保持初始PCE的98.9%、88.6%、99.5%。最后,引入长链有机阳离子(丁胺离子,CH₃(CH₂)₃NH₃⁺,BA⁺),制备二维铯基钙钛矿(BA₂Cs_n-1Pb_nI_3n+1(n=1,2,3,4,5))改善铯基钙钛矿的本征相稳定性。BA⁺的引入调控n=∞晶面的晶格应力,协同BA⁺的疏水性、空间位阻效应和二维层状钙钛矿中的无机层较低的形成能,抑制[Pb X₆]^4-八面体扰动,提升本征相稳定性。二维铯基钙钛矿薄膜在相对湿度45%的空气中和85℃下的N₂中均表出优异的相稳定性,且随着n的降低,二维铯基钙钛矿薄膜的相稳定性提高。此外,制备了PCE为9.5%的二维无机PSCs(n=5)。本研究工作分别采用离子液体BMIMBF₄、外围芴基改性的空穴传输材料在铯基钙钛矿界面,BMIMPF₆、BA⁺长链有机阳离子在铯基钙钛矿体相,实现了铯基钙钛矿的相稳定性的提升、缺陷的钝化,为进一步提升铯基PSCs的PCE和稳定性提供了指导。